导电性-(2).ppt

第3章 材料的导电性能,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,§4 离子晶体的导电性能,一、离子晶体中的极化子导电：,,,,1、极化场：离子晶体中的导电电子在移动时将使周围晶格极化，正离子被吸向电子，负离子被电子排斥这种正、负离子的相对位移，形成一个围绕电子的极化场2、极化子：离子晶体中，导电电子与它周围的极化场所构成的一个互相作用的整体，称为极化子 从场论角度看，极化子是慢运动电子与光学模纵声子（LO声子）相互作用系统的准粒子《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,极化场中的晶格畸变可以解释为电子在其周围激发LO虚声子因此，极化子的尺寸可以由电子发射或吸收LO虚声子后的位置不确定度估计3、大极化子与小极化子：极化子的尺寸由电子（或空穴）周围晶格畸变区域的大小决定当这个区域比晶格常数大得多时称为大极化子当电子周围的晶格畸变区小于或等于晶格常数量级时称为小极化子式中依次是电子发射或吸收LO虚声子后的波数不确定度、电子的有效质量、声子的圆频率《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,对于窄带半导带，如NiO,能带电子的有效质量较大，Δr小于或等于晶格常数，属于小极化子情形。

对于多数离子晶体，如碱金属的卤化物，其能带电子的有效质量可近似取自由电子质量，这样算出的极化子尺寸略大于晶格常数，载流子近似为小极化子对于极性离子晶体半导体，如Ⅱ—VI和Ⅲ—V族化合物，能带电子的有效质量比自由电子质量小一百倍，极化子的尺寸约为100Å，远大于晶格常数，这些材料中的载流子是大极化子一般来说，小极化子出现在具有窄带和强耦合的系统中《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,在大极化子情况下，离子晶体可以当连续介质处理在小极化子情况下，必须考虑晶体结构的原子性，并用晶格模型处理极化子问题离子晶体中导带底部的电子或价带顶部的空穴都带着周围的极化场运动，载流子实际上都是极化子极化子是离子晶体中的基本载流子极化子可用来解释离子晶体和极性半导体中的输送现象和光跃迁过程4、极化子导电：,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,式中，wT—小极化子跳跃几率 Jexp(-2ST)为能带半宽小极化在晶格中运动有两种方式：低温区是能带传导，高温情况下则转变为跳跃过程传导对每种材料，存在一个转变温度Tt ，在TTt时，小极化子以跳跃过程传导为主两种导电机制的转变温度由下式决定：,当 时，小极化子能带理论成立。

当 时，小极化子跳跃过程成立《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,离子晶体中的离子电导是离子在电场作用下的定向扩散运动分为二类：,二、离子晶体中的离子电导,1、离子电导的类型：,a. 本征离子电导,也叫固有离子电导,是晶体点阵的离子由于热振动而离开了晶格，形成热缺陷这种热缺陷无论是离子，还是空位都是带电的，都可作为离子电导载流子b. 杂质离子电导，由于杂质与基体间的键合弱，在较低的温度下杂质离子就可以运动，杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,对离子电导率，载流子浓度及离子迁移率二确定是十分重要的工作3 离子电导率,2、离子电导与电子电导的重大差别： 离子的扩散运动伴随着一定的质量变化，而且离子化一般在电极附近发生，此时电子得失会产生新的物质，也就是说离子电导本身会伴随电解效应 另外，由于离子的迁移率要比电子或空穴的迁移率低近十个数量级，所以达到相同的电导率，二者的数目会有很大差异，电子和空穴要少得多只有一种载流子时：,有多种载流子时：,,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。

杂质离子的存在，不仅增加了载流子数目，且使点阵发生畸变杂质离子离解化能一般来说较小，故低温下，离子晶体的离子电导主要由杂质载流子浓度决定本征离子电导的载流子是由晶体本身的热缺陷产生的晶体的热缺陷主要有弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷在低温情况下，KTE，故Nf与Ns都较低只有在高温下，热缺陷的浓度才明显增大，即本征离子电导在高温下才会显著地增大E与晶体结构有关，一般EsEf，只有结构很松，离子半径很小的情况下，才容易形成弗仑克尔缺陷4 载流子浓度,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,5 离子迁移及迁移率,离子导体中的 离子在导电中是从一个平衡位置(半稳定位置)跃迁到相邻位置，完成一次跃迁中间需克服高度为U0的势垒《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,,无外加电场时，各方向的势垒高度相同，离子向各个方向迁移的几率相同，宏观上无离子电荷的定向运动，材料中无离子导电现象左图）,加上电场后，离子晶体中的势垒不再对称，其高度差为ΔU 正离子顺电场方向，“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难负离子则反之《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,式中ν0－离子的振动频率,在无外加电场情况下，离子单位时间沿某一方向跃迁的次数为,,,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,离子实际沿电场方向定向移动的净次数为：,加上电场后，离子单位时间沿电场方向和逆电场方向跃迁的次数分别为,,,,,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,δ－离子每次跳跃的距离(一般等于晶格间距),当场强不太大时，ΔUkT，则,则离子载流子沿电场方向的迁移速度V,,,,,,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,于是可以得到离子迁移率为,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,由此可见，以lnσ和1/T作图，离子导电率与温度的关系为一直线。

一种离子的电导率为,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,◆ 温度 的影响：呈指数关系，随温度升高，电导率迅速增大如图：低温下，杂质电导占主要地位(曲线1)，高温下，固有电导起主要作用6、 离子电导率的影响因素分析,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,a)离子半径：一般离子半径小，结合力大，因而活化能也大； b)离子电荷，电价高，结合力大，因而活化能也大； c)堆积程度，结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且移动也要困难些，可导致较低的电导率关键是晶体间各粒子结合力，它决定着活化能大小，而晶体结合力受如下因素影响,◆ 晶体结构的影响,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,由于真正实用的离子电导（即固体电解质）必须具备两个条件： a)电子载流子的浓度小 b)离子晶格缺陷浓度大并参与电导◆ 晶体缺陷的影响,离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键所在《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,§5 外场对材料导电性能的影响,一、温度对电阻的影响：主要讨论PTC效应：,,,1、PTC（Positive Temperature Coefficient）效应：专指具有很高非线性正温度系数的阻温特性。

最典型特性是在某温度附近20～30度温区内其电阻率可发生几个数量级的变化,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,,,2、PTC材料的主要特性：,Rmin（最小电阻）， Tb（开关温度）， Rmax（最大电阻） αT （零功率电阻温度系数）,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,RT!为温度T1时的电阻值,RT2为温度T2时的电阻值,T1、T2均在PTC区. B就是曲线上(T2,logRT2)、(T1,logRT1)两点连线的斜率αT 的确定方法：在PTC效应范围内某温度T下，PTC电阻器的零功率电阻值的相对变化率，用公式表示为：,如果想从R—T特性曲线上用作图方法求得αT，考虑到实验中R—T特性曲线通常以半对数坐标表示，从上述公式求解微分方程可以得到αT：,,,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,电流—时间特性（I——t特性） 指PTC电阻器在施加电压过程中，电流随时间的变化特性开始加电压瞬间的电流称为起始电流，平衡时的电流称为残余电流电流—电压特性（I—V特性）在室温（通常规定为25摄氏度）的静止空气中，在热平衡的稳态条件下流过PTC电阻器的电流与加在其两端的电压之间的关系。

《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,3、BaTiO3陶瓷的PTC效应： 典型的PTC材料是掺杂半导化的BaTiO3 BaTiO3是一种典型的铁电材料，常温电阻率约1012Ω.cm，为绝缘体 经过半导化掺杂以后常温下电阻值很低，随着温度的升高，在居里点附近电阻发生急剧变化，增大几个数量级，显示出强烈的PTC效应《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,4、高分子PTC,高分子PTC是由聚合物与导电粒子组成的复合材料 导电粒子在聚合物中构成链状导电通路当正常工作电流通过时，高分子PTC呈低阻状态(图a)；当电路中有过电流通过时，大电流产生的热量使聚合物迅速膨胀，断开导电粒子构成的导电通路，材料呈高阻状态(图b)；当电路中过电流消失后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，材料又呈低阻状态(图c)高分子PTC俗称自恢复保险丝《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,5、PTC材料的应用： PTC材料最典型特性是在某温度附近20～30度温区内其电阻率可发生几个数量级的变化 因此它具有温度的自控作用，控制精确度几乎不受外界条件的影响，可用来做自控开关、起动器和保护装置等。

其发热速度快，还可做定温发热器这些特性使PTC热敏陶瓷的用途极为广泛 在家用电器中也已普遍使用，如电冰箱起动器、彩电消瓷器、空调限流器、洗衣机烘干器和按摩器等空,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,1、压敏效应：指材料的导电性对电压变化呈现很强的非线性特性一般用V-I特性来表征目前压敏材料主要有SiC、TiO2、SrTiO3和ZnO陶瓷四大类.二、电场（电压）对电阻影响：主要讨论压敏电阻,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,压敏电压：指压敏电阻器从开路状态进入导通状态的电压值目前对大多数压敏电阻，压敏电压通常规定为在室温环境（通常规定为20℃）下，在压敏电阻上有1mA直流电流流过时，加在压敏电阻两端上的电压，记为U1mA上图中以Vb表示）,2、压敏电阻最重要的特性参数：压敏电压、漏电流和非线性系数α 他们的定义为：,漏电流：指压敏电阻器在未进入导通状态前的流经压敏电阻的电流通常规定当加在压敏电阻器两端电压为压敏电压的0.75倍时，流过压敏电阻器的电流作为压敏电阻的漏电流《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,非线性系数α ：如上图中所定义，其中V1、V2在上图的Vb与Vp 之间选取分开的两点，I1、I2则是曲线上V1、V2 对应的电流值。

3、压敏陶瓷的应用：根据其压敏特性的差异，分别应用于电力系统、电子线路、家用电器等各种装置的过压保护，尤其是高性能浪涌电压吸收、过压保护、超导性能和无间隙避雷器等方面的应用《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,1、巨磁电阻效应 ： 材料的电阻在加磁场和不加磁场情况下呈现几十倍以上的差别的特性，大的差别可达百万倍三、磁场对电阻的影响：主要讨论巨磁电阻效应,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,2、最重要材料：钙钛矿型Mn氧化物,理想Mn基钙钛矿氧化物具有Pm3m空间群的立方结构,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,3、导电特征和磁特征相关联,随着温度的降低发生绝缘体－金属转变 dR/dT＜0：绝缘体 dR/dT＞0：金属 伴随着I-M转变，在相同温度(TC)磁性也发生了由顺磁(PM)到铁磁(FM)的转变,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电性能,基于双交换作用提出的唯象模型,基于双交换理论的唯象模型同实验观察的比较4、有关理论模型,《材料物理学》: 第 3 章 材料的导电。